陸春慧

隨著我國經濟的不斷發(fā)展，國家的基礎設施建設越來越完善，大量工程正在如火如荼的進行，同時對工程地質勘察的精度也越來越高，勘察工作也要越做越全面和詳細。而高密度電法以其數(shù)據(jù)采集量大、工作效率高、成本低、信息豐富、解釋方便等優(yōu)點在水利工程地質勘探中得到了廣泛的應用。但高密度電法仍存在一定的局限性，仍然是從事物探工作要逐步解決、多加研究的課題。

高密度電法相對于其他勘探技術而言，具有更簡便的操作，擁有先進性、經濟性等特點，且是一種直流電法勘探技術。高密度電法勘探目前已經被廣泛應用于礦產勘查、石油勘查、地熱資源勘查、不良地質現(xiàn)象勘查等領域。相對于傳統(tǒng)的勘探技術而言高密度電法勘探技術具有信息量大，對探測對象所造成的損傷小，測點密度高等特點。利用這種勘探方法所得到的數(shù)據(jù)直觀且準確，勘探成果高效，其在我國工程勘查的運用已經越來越廣泛。

1 最大密度電法檢測技術的基本原理

1.1 高密度電法勘探的特點

高密度電阻率法實際上是一個陣列式探測方案。在野外勘測時，只需把所有的高壓電極（幾十至上百根）都放在測點上，然后充分運用程控電極變換開關和微機工程電測儀，便能完成對各種數(shù)據(jù)信息的高速手動搜集。反演程序使用的二維模型由一系列矩形格子構成，矩形格子的排列受擬斷面圖數(shù)據(jù)點分布的松散約束，格子的大小和貢獻由程序自動產生，格子的數(shù)量一般不超過數(shù)據(jù)點的數(shù)量，程序設置了一個選項，允許用戶使用格子數(shù)超過數(shù)據(jù)點的模型，最底排的格子設置深度近似等于最大電極距的等效勘查深度。當檢測結果輸入微機后，還能對數(shù)值加以處理，從而得出有關電斷面分布的某種物理解釋的結論。很顯然，隨著高密度電阻率探測技術的廣泛運用和發(fā)展，使電法勘探的自動化程度往前發(fā)展了一大步。而相比于常規(guī)電阻率法而言，高密度電阻率法還具備著如下優(yōu)點：

（1）電極布設通常是一次進行的。這樣一來不但降低了由于電極設定方式所產生的故障和影響，同時也為對野外各種數(shù)據(jù)的高速手動監(jiān)測打下了基石。

（2）能夠較高效地完成對各種電極排列形式的數(shù)字化掃描測定，從而能夠獲取到較大量的有關的電斷面及結構性特征的地質信息。

（3）自動或半自動采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，不僅加快了采集的速度（每測點約2s～5s），而且減少了人工操作帶來的誤差。

（4）可以對數(shù)據(jù)進行預處理和顯示剖面，形成曲線輪廓，在脫機處理之后還可以自動繪制和打印各種結果圖。

（5）開發(fā)成本低，效率高，信息豐富，理論解釋簡單，勘探潛力明顯增強。

1.2 高密度電法測量方式

泥盆系下統(tǒng)北礦組（D1b）分布于礦區(qū)西北部，為一套海相細碎屑巖沉積，出露主要巖性為粉砂質泥巖、含粉砂絹云板巖、生物碎屑灰?guī)r、硅質巖夾石英砂巖，硅質巖內夾有晶屑火山灰凝灰?guī)r和含礫粗砂巖扁豆體，且內含珊瑚、苔蘚蟲和海百合等化石。高密度電法的排列方法也從原來的A.B和C三種，發(fā)展到了現(xiàn)在的十幾種。不過經過認真研究也可以看出，各種順序其實都由對稱的四極體（Schlumberger）、偶極－偶極（dipoledipole）、單極－偶極（pole-diple）、單極－單極（pole-pole）演化而來。例如：當AM=MN=NB時，Schlumberger排列也為A排；當AB=BM=MN時，偶極－偶極排就成為了B排列；至于單極－偶極方式，就有AMN、MNB、AM=MN和AM=MN等四種。而至于所說的滾動排列裝置，其電極排列形式上也基本不變，只不過是其排列方法更有利剖面的銜接罷了。

2 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)分析主要涉及實測數(shù)據(jù)提供、反演、圖像加工等領域。信息收集完畢并進入計算機后要做好相應的預處理，如數(shù)據(jù)格式變更、清除壞點、地形修正等。

二維逆演程式，是一個圓滑約束最小化二乘（deGroot-Hedlin and Constable 1990，Sasaki 1992）的計算機反演計算程式，采用了一個準牛頓最優(yōu)化非線性最小化二乘新算子（Loke and Barker，1996），所以在大信息量下的運算速率可以比常規(guī)最小化二乘快十倍之上，并且耗費的內存也較小。圓滑約束的最小化二乘法通過下列方程式：（J′J+LF）d=J′g。

并且，F(xiàn)=fxfx′+fzfz′；fx=水平曲線光滑濾波器系數(shù)矩陣；fz=垂直于線性圓滑濾波器系數(shù)矩陣；J=偏導量矩陣；J′=J的轉置矩陣；L=阻尼系數(shù)；d=模型參數(shù)或修改的矢量；g=殘差向量。

這個計算的另一大好處就是能夠調整阻尼系數(shù)和平滑濾波，能夠滿足各種類型的資料。

反演程序所使用的二維模式將地下空間分成多個模擬子塊。進而決定每一個子塊的電阻比，從而使真正演算出的視電阻比模擬截面和實際擬截面相吻合。對每一子塊的厚度和高壓電極距不同，給以相應的比例系數(shù)。而最優(yōu)化方案則主要是靠調整模型子塊的阻值率來縮小正演值和現(xiàn)場實測時電阻率值相互之間的差別。而這個差值也有用均方誤差（RMS）來衡量。但是，有時最小化均方誤差值的模式也表現(xiàn)出了模型電阻率值極大和不切實用的變異情況，從地理勘察視角來看，這也不是最佳的模式。一般來說，最謹慎的方法是選擇一個在迭代后均方誤差不再明顯變化的模型。

北西向斷裂構造以伊敏河北西向斷裂為主干，在礦區(qū)內發(fā)育一系列相互平行的次級斷裂系統(tǒng)。河流斷裂主要發(fā)育在古生代巖層中，長40km，截切奧陶系多寶山組地層。該斷裂與伊敏河谷相吻合，沿斷裂兩側的古生代地層內發(fā)育與主斷裂面相平行的劈理和次級斷裂。斷裂具壓扭性特征，與其伴生有北東和近南北向羽狀裂隙。

高密度電阻率剖面，通常通過擬截面等值線圖形、彩色圖像或灰度圖形來描述，因為它表現(xiàn)了地電截面中每一個測點視電阻比的相對變化規(guī)律，所以，該圖形所表現(xiàn)的地電結構特征方面，有著比較直接和形象的特征。

3 高密度電法勘探在工程勘察中的誤差分析

3.1 誤差分析原理

在數(shù)據(jù)收集過程中，數(shù)據(jù)質量可能會發(fā)生一定程度的偏差，錯誤分析方法允許對重復觀測數(shù)據(jù)偏差進行統(tǒng)計、分析、減少、消除數(shù)據(jù)偏差因素以及最大限度地減少錯誤。在高密度電氣勘探操作中，將重復收集的數(shù)據(jù)（表觀電阻）的平均值取為true值，這些true值也是相對true。接地不好或設備工作不正常，重復收集的數(shù)據(jù)可能會出現(xiàn)異常、扭曲或虛假事實值。但是，由于接地不好，并且在裝置故障時數(shù)據(jù)失真具有不同的特性，因此可以相應地執(zhí)行錯誤分析以控制數(shù)據(jù)質量。

3.2 應用實例

在一個現(xiàn)場工作中，收集數(shù)據(jù)出現(xiàn)不準確的問題，接地條件差，收集的數(shù)據(jù)經常出現(xiàn)失真。通過使用誤差分析方法進行比較，發(fā)現(xiàn)單點相對誤差大，隨機性強，因此重復的比較測試結果是相同的。之前在同一接地條件下收集的數(shù)據(jù)的錯誤分析表明，單個點數(shù)據(jù)也存在失真。但是，統(tǒng)計數(shù)據(jù)的相對誤差非常小。也就是說，前后兩次收集數(shù)據(jù)匹配，相對誤差分布區(qū)域是固定的。迭代實驗比較分析推斷是由于設備故障。調換機構，對新舊進行比較考證，證明判斷是正確的。用兩臺儀器（同型號的舊裝置和新裝置）觀察60m的相同排列，共排列30個電極、電極間距2m。分析了4個排序的數(shù)據(jù)，結果是因為數(shù)據(jù)很多，所以僅列出前兩層數(shù)據(jù)進行比較分析，結果如下：如果測量線不移動，并且閾值為5%的情況下收集數(shù)據(jù)，則可以看到，如果舊的儀表錯誤超過了15個，并且新儀表中的所有數(shù)據(jù)都沒有超載，則這些失真數(shù)據(jù)是裝置錯誤造成的。

4 高密度電法勘探在工程勘察中的運用方法

4.1 現(xiàn)場勘探

在實質上，由于高密度電法的基本原理與傳統(tǒng)的電阻率法基本相同，其主要區(qū)別就是高密度電法在觀測中設置了較高的密度測點。而高密度電法的測量系統(tǒng)，使用了多電位電極系的處理方式，可以方便地進行多種電極排列，也可以進行多種裝置類型、且多種組合的測量，實現(xiàn)了快速自動化數(shù)據(jù)采集，也能進行現(xiàn)場的微機處理，減輕了工作人員的勞動強度，大大提高了測量精度和工作人員的工作效率。在利用高密度電法進行工程勘察時，需要人工向地下加載直流電流，并在地表利用相應儀器觀測記錄其電場分布，然后通過研究這種人工施加電場的分布規(guī)律，來分析地質所存在的問題，從而方便尋找相應的解決方案。在進行現(xiàn)場的測量時，需要將全部電極設置在間隔一般為1m～10m的測點上進行觀測。

4.2 數(shù)據(jù)資料收集與分析

高密度電法原理最主要、最核心的技術關鍵就是在施加電場的作用下，要對電流所采集的數(shù)據(jù)進行有效的觀測和分析，通常情況下，所采集數(shù)據(jù)量越大，所達到的精度就越高。在高密度電法在數(shù)據(jù)采集過程中，主要使用組合電阻率剖面和電阻率測深兩種方法。在電性不均勻體的探測過程中，要對復雜的地質進行多層次、多方位的探測，這樣所獲取的數(shù)據(jù)結果更加精確有效。一般而言，在求解其電場分布時，所采用的理論方法是解析法，以求得拉氏方程解析解。有時候在情況較為復雜，且地質復雜時，沒有方法求得拉氏方程解析解的時候，在實踐中也可以采用二維地電模型，使用點源二維有限法或者三維地電模型，并通過有限差分法等數(shù)值模擬來解決上述問題。

5 高密度電法檢測的技術和數(shù)據(jù)處理方式

5.1 極化補償、供電時間問題

電法探測中，金屬電極的極化電勢成分大致有如下幾類：①金屬電極深入大地，金屬電極表層與土地相互之間的相接觸電勢；②由大地自身所形成的自然電勢；③在經過特定電壓時，陰極與環(huán)境中間、環(huán)境內層（尤其是較濕環(huán)境）進行離子遷移，停電后分子進一步擴展，這一連串過程產生的各類電位。而且，這類電位是隨時刻、環(huán)境溫度發(fā)生變化的，其改變區(qū)域在毫伏（mV）的量級之上。從這點來說，對于分辨率太高的儀表起到不到效果。

激化電極法中，第三種電位是最有用的可測信息，但在電阻法中，這種信息是干擾。第一和第二電位相對穩(wěn)定，而離子遷移引起的電位變化與電場強度成正比。因此高密度電法數(shù)據(jù)收集得較快，當供電電極在給完電后，立即又轉換為測量電極，但如果變換的時間較短，而極化電位又下降得緩慢，這就將給檢測結果造成很大的偏差，進而導致Q值的畸變。

要減小由于極化補償、供電時間等造成的偏差，就必須注意：①極化補償要有多重方案，通常要求硬件與軟件的雙重補償，在必要時進行多次循環(huán)；②測量時間間隔不宜太短（通常應〉3s），這有點與實際效率沖突。

5.2 方法選取而產生的非適宜性

高密度電法應用在城市建設等工程技術物探中，因為受區(qū)域、地貌升降等的限制，高密度電法多采用了AMN和MNB的三極裝置，正如常規(guī)電法的三極裝置那樣，在電學性質頁面周圍，由于Q電流密度發(fā)生了非線性變化，因而產生與MN極的電勢差的階躍，因而使Q值發(fā)生規(guī)律性地畸變其特點是：在電學性質界面兩側，曲線呈現(xiàn)階躍形變化，值畸變程度較強，而在地質區(qū)域之外的各級距Q畸變影響嚴重程度不顯著。

對于三極裝置化，在工作方法上可參照聯(lián)合剖面的工作方式進行，并即將測得的值作對稱四極裝置化處理。

5.3 其它電性干擾

高壓輸電線保護以及埋設的各類通訊線纜、電纜等是最重要的擾亂源，它的電磁感應方法直接影響檢測結果，其Q畸變特性是：Q畸值一般按擾亂源的頻譜特點周期性的改變，Q畸變率與測線至擾亂源距離r的平方的倒數(shù)成正比。

實測數(shù)據(jù)處理一般都會在不同程度地受到不同影響因素的影響，所以，在完成了數(shù)值預處理之后，就應該采用五點或七點等的圓滑方式，再加以反演、成像。

6 結論建議分析

該區(qū)的激電異常是由黃鐵礦、輝鉬礦、石英脈引起的，其反映為低電阻率高激化率特征，而云英巖化黑云母花崗巖反映為高電阻率、中等極化率。

（1）高密度電法與其他勘探方式相對比，擁有智能水平程度高。工作效率高、非常形象直接等優(yōu)勢，在金屬與非金屬礦業(yè)、工程建設、地理減災、巖溶勘探、考古等諸多領域進行了應用，并獲得了良好的經濟效益。

（2）正確地使用高密度電法勘探方法，是減少異常的多解性的關鍵。所以，在實際使用中，設備的選型、電極的布置、地形的改變及數(shù)值的校準等均需針對實際情況正確使用。

（3）其他物探方式的使用都有其局限性。所以，在進行大密度的電法勘探時也應該重視各種檢測方式的合理搭配，如在巖溶洞穴檢測時，要結合淺層地震法進行高阻異常的驗證，以區(qū)別由高阻脈巖和早洞所引發(fā)的高阻異常。

7 結語

總之，面對復雜地質條件，傳統(tǒng)的地質鉆探手段具有一定的不足，而高密度電法具有數(shù)據(jù)量大、工作效率高、觀測剖面長、采集點間距小等特點，往往能夠彌補傳統(tǒng)方式的不足，因而被廣泛應用于水利、公路與橋梁、隧道及房建場地方面的勘察工作之中。且該區(qū)為化探異常高值區(qū)，存在富礦地段的可能性較大；高密度直流電法勘探在尋找金屬礦工作中是一種行之有效的方法。由于它的經濟實惠以及操作簡便，在工程勘察活動過程中有著極其廣泛的應用前景。